MONITORIZAÇÃO DO COMPORTAMENTO ESTRUTURAL DE UMA
PONTE NOVA EM ARCOS DE ALVENARIA DE PEDRA
Arêde, A.1; Costa, A. 2; Costa, C., 3; Barbosa, C. 4; Costa, P. 5
1
Prof. Auxiliar, 2Prof. Associado com Agregação
Departamento de Engenharia Civil
Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
3
Assistente,
Departamento de Engenharia Civil
Escola Superior de Tecnologia, Instituto Politécnico de Tomar
4
Engª Civil,
FiberSensing – Sistemas Avançados de Monitorização, S.A
5
Engº Civil,
Aluno de Mestrado de Estruturas em Engenharia Civil
RESUMO
Apresenta-se o caso de uma nova ponte em alvenaria de pedra, construída de raiz, que está a
ser instrumentada para monitorização do seu comportamento estrutural sob a acção de
cargas de serviço. Abordam-se os objectivos da monitorização da ponte e descreve-se a
instrumentação efectivamente adoptada nesta obra nova de características singulares.
Refere-se os aspectos básicos do sistema de aquisição de dados. Não são apresentados
resultados de registos, por não estar ainda concluída a instalação de todos os sensores.
importante mais-valia para o conhecimento
sobre este tipo de estruturas.
1- INTRODUÇÃO
Tal como em muitos outros países
europeus, existe em Portugal um grande
número de pontes em arco de alvenaria de
pedra, a maioria delas sujeitas a elevadas
cargas de tráfego para as quais não foram
projectadas. Algumas dessas construções
exibem sinais claros de degradação e falta
de manutenção que, por vezes, suscitam
sérias dúvidas sobre o nível de segurança
que podem garantir sob condições de
serviço.
O trabalho que se apresenta
enquadra-se numa iniciativa da Câmara
Municipal de Felgueiras de construir uma
ponte de alvenaria de pedra sobre o Rio
Vizela, em Vila Fria, em substituição de
uma antiga passagem (figura 1) com
graves condições de segurança estrutural.
A FEUP e o Instituto da Construção
(IC) apoiaram esta iniciativa aproveitandoa para fins científicos por se enquadrar
numa linha de investigação sobre
estruturas antigas iniciada há vários anos
no Departamento de Engenharia Civil.
Neste contexto a possibilidade de
monitorizar e analisar o comportamento
estrutural real de uma ponte em arco de
alvenaria de pedra, constitui uma
1
em quatro pilares e dois encontros, dando
apoio a um tabuleiro com um vão total de
60 m e 6 m de largura.
Fig 1- Vista geral da antiga passagem existente
O trabalho relativo ao projecto,
construção e estudo do comportamento da
ponte assume carácter pluridisciplinar,
abarcando diversas componentes, tais
como: modelação e análise estrutural;
experimentação local e em laboratório para
calibração de modelos numéricos;
instrumentação e medição de parâmetros
estruturais e dos materiais; aquisição
remota de dados e monitorização de
comportamento à distância.
Fig 2- Perspectiva do projecto da nova ponte
A estrutura foi fundada em grupos de
micro-estacas encabeçadas por maciços de
betão armado em que assentam os pilares.
Tal como os arcos e os murostímpano, os pilares foram realizados em
alvenaria de pedra aparelhada de granito,
assente com uma fina camada de
argamassa de cal especificamente estudada
e produzida para o efeito [Secil (2002)].
Não estando ainda finalizada a
instalação de todos os sensores, pretendese com o presente artigo apenas descrever
a instrumentação usada para registar a
resposta estrutural da ponte, com
referência ao sistema de aquisição de
dados adoptado. Pelas dificuldades e
particularidades da obra, as fases
essenciais da instalação dos sensores são
também abordadas sumariamente.
Sobre o extradorso dos arcos e entre
muros-tímpano, foi colocado enchimento
de tout-venant que, na zona mais
superficial, incluiu também uma pequena
percentagem de cimento Portland. Após o
enchimento foi realizada uma camada de
regularização destinada a receber o
revestimento de telas asfálticas de
impermeabilização, sobre o qual foi
colocada uma camada de traço-seco (areia
e cimento em reduzida percentagem, sem
adição de água) destinada ao assentamento
do pavimento final em lajeado de granito.
Por motivos alheios e contrários à
vontade dos autores (dos quais os três
primeiros são também responsáveis pelo
projecto) a obra entrou já em serviço sem
que tivesse sido ainda realizado o ensaio
de carga, razão pela qual não existem
ainda registos integrados do conjunto de
todos os sensores. Não obstante, o referido
ensaio de carga está previsto para ser
realizado até ao fim de 2005, quando toda
a instrumentação estiver colocada,
verificada e calibrada (em particular face à
temperatura) nas reais condições de obra.
A construção da ponte começou no
início de 2002 e terminou em Abril de
2005, com o aspecto ilustrado na figura 3.
2- A NOVA PONTE DE VILA FRIA
Em face de requisitos arquitectónicos
específicos, foi proposto o projecto que se
ilustra na figura 2 [Costa, Arede e Costa
(2002)], onde se pode observar que se trata
de uma ponte materializada por cinco
arcos, com vãos de 4.8 a 6.0 m, apoiados
Fig 3- Aspecto final geral da nova ponte (montante)
2
por comparação com a observada sob a
acção de cargas reais controladas.
3 – OBJECTIVOS DA MONITORIZAÇÃO
As medidas de deformações e
tensões elásticas que lhe estão associadas
nos blocos de pedra, bem como as pressões
no enchimento, deverão permitir esclarecer
o encaminhamento e distribuição de
tensões entre arcos, enchimento e pilares, e
aferir os correspondentes resultados
numéricos.
A monitorização desta obra surge na
sequência de um anterior trabalho de
modelação e análise estrutural de um caso
similar [Costa (2002)], durante o qual
foram sentidas grandes dificuldades na
calibração de parâmetros materiais e
estruturais, assim como na confirmação
dos resultados númericos obtidos; nesse
trabalho foram ainda identificados alguns
aspectos carecendo de melhor estudo,
nomeadamente a influência da rigidez do
enchimento e dos muros-tímpano nos
esforços dos arcos.
Por fim, a medição de temperatura
em diversos locais da ponte, em particular
próximo de alguns sensores, destina-se
essencialmente a permitir fazer correcções
aos registos por forma a entrar em linha de
conta com os efeitos da temperatura.
A possibilidade de acompanhar e
monitorizar uma obra deste tipo desde a
sua construção, constituiu assim uma
excelente oportunidade para estabelecer e
calibrar técnicas de modelação analítica
adequadas para a simulação numérica de
outras construções semelhantes existentes.
A monitorização em contínuo da ponte por
um largo período de tempo materializa um
laboratório vivo que permite avaliar e
sistematizar os principais aspectos do
comportamento estrutural deste tipo de
pontes e sua relação com as patologias
estruturais frequentemente observadas.
4– INSTRUMENTAÇÃO
A instrumentação adoptada para a
monitorização consiste num vasto número
de sensores do tipo a seguir descritos,
conforme o género e medida em causa.
4.1 - Deslocamentos globais
A dimensão da obra e a inexistência
de pontos ou estruturas físicas de
referência permanentes, limitou a escolha
de sensores apropriados para medir
deslocamentos globais ao longo da ponte.
Porém, durante certas fases da obra, como
por exemplo as operações de descimbre
dos arcos, foi possível instalar transdutores
de deslocamento clássicos (LVDT’s) e
comparadores digitais, sobre um pórtico de
referência exterior à ponte, e assim
acompanhar
os
seus
movimentos
principais (figuras 4a e 4b).
Neste contexto procurou-se dotar a
nova ponte de uma instrumentação capaz
de fornecer medições relativas a:
i. deslocamentos globais da estrutura,
em especial no coroamento dos arcos;
ii. deslocamentos relativos das juntas
entre blocos de pedra, nomeadamente
abertura/fecho e escorregamento;
No entanto, em permanência torna-se
impossível dispôr dessa estrutura de
referência, pelo que se optou por instalar
uma rede de sensores de pressão
piezoresistivos de grande sensibilidade que
medem a variação de pressão de um fluído
existente num tubo com uma das
extremidades ligada à pressão atmosférica
e outra ligada a uma porta do sensor
(figura 5). A variação de posição
altimétrica da extremidade livre ou do
sensor, ambas ligadas rigidamente aos
pontos cuja variação de nível se pretende
medir, origina uma alteração de pressão
iii. deslocamentos relativos entre murostímpano opostos;
iv. deformações e tensões em
blocos dos arcos;
alguns
v. pressões verticais no material de
enchimento;
vi. temperatura.
Através de registos resultantes da
referida instrumentação, pretende-se aferir
a deformada da estrutura (global e local,
nas juntas) obtida de simulações numéricas
3
que é captada pelo sensor e transformada
num sinal eléctrico proporcional à variação
de nível ocorrida. Pelo facto de serem
usados para medir variações de nível, são
designados por sensores de nível.
equipado com placas de 12 bits, este
intervalo
proporciona uma resolução
inferior a 0.1mm, que é suficiente para os
deslocamentos previstos.
Os
sensores
baseiam-se
no
funcionamento de uma ponte de
Wheatstone e fornecem um sinal eléctrico
amplificado
entre
1.5V
e
9V,
aproximadamente, para uma tensão de
alimentação de 12V.
Não tendo sido possível dispôr de
um ponto fixo na margem que servisse de
referência para deslocamentos verticais, e
dado que, os esforços mais significativos
na estrutura deverão ocorrer por
movimentos diferenciais entre o vão dos
arcos e os seus pilares de apoio, optou-se
então por colocar uma série de sensores
que
permitissem
obter
aqueles
deslocamentos verticais relativos ao longo
da ponte.
Fig 4a- Descimbre de um arco. Pórtico de referência para
comparadores e LVDT’s.
Para tal, foram adoptados quinze
sensores que serão colocados no interior da
ponte e sobre os pilares (figuras 6a e 6b),
mais propriamente sobre colunas rígidas
circulares de betão encastradas na face
superior dos pilares junto à nascença dos
arcos e no lado interior jusante dos murostímpano.
Fig 4b- Descimbre de um arco. Comparador digital e
LVDT no coroamento do arco.
Fig 6a- Posicionamento dos sensores de pressão (corte
longitudinal parcial de meia-ponte).
Fig 5- Sensor de pressão, respectivo tubo e reservatório
para medição de desníveis.
Fig 6b- Posicionamento dos sensores de pressão (planta
parcial de meia-ponte).
Foram então adoptados sensores da
gama 160PC da marca Honeywell
[Honeywell], adequados para um intervalo
de pressões entre 0 m.c.a. e 0.254 m.c.a..
Com o sistema de leitura a utilizar,
Pretendeu-se assim criar plataformas para
a colocação dos sensores a cotas
compatíveis com o seu intervalo de
medição e as cotas do coroamento dos
arcos. Essas colunas estão no entanto
4
razão houve particular cuidado na escolha
do tipo de tubo por forma a minimizar os
efeitos de dilatação/contracção térmica
devida a variações de temperatura
ambiente.
isoladas do enchimento da ponte através de
tubos de maior diâmetro (figuras 7a e 7b) a
fim de evitar movimentos daquelas devido
às cargas actuantes na estrutura.
Não obstante este cuidado, torna-se
imperativo proceder à correcção dos
registos dos sensores para atender aos
efeitos de temperatura. Apesar de se ter
procurado fazer uma calibração prévia dos
sensores para diferentes níveis de
temperatura, em estufa e em câmara
frigorífica, concluiu-se ser muito difícil
reproduzir as condições da obra.
Optou-se então por fazer a referida
correcção directamente na ponte já em
serviço, com recurso a um sensor de
referência. Este sensor é idêntico aos
restantes e com comprimento de tubo da
mesma ordem de grandeza, mas o
respectivo reservatório de fluído fica
colocado junto ao sensor e solidário com
ele. Assim, não havendo variações
relativas de nível entre o sensor e a
superfície livre do fluído resultantes de
deslocamentos diferenciais, as variações
que ocorram serão apenas devidas à
temperatura. Procedendo ao registo desta
em simultâneo com o registo do sinal do
sensor de nível de referência, obtém-se a
curva de correcção pretendida.
Fig 7a- Colunas de apoio aos sensores de pressão (vista
superior).
Fig 7b- Colunas de apoio aos sensores de pressão (vista
geral na fase de construção).
As extremidades livres do tubos de
fluído associados a cada sensor encontramse no meio-vão dos arcos (figuras 6b), quer
junto aos tímpanos da face jusante, quer ao
longo do eixo longitudinal da ponte, a fim
de se avaliar a diferença de deformações
dos arcos na direcção transversal que
resulta da influência da rigidez dos murostímpano.
Subjacente a este procedimento está
a hipótese de idêntico funcionamento dos
diversos sensores que se verifica ser
aceitável em face das calibrações e
verificações em laboratório. Estas foram
realizadas ligando todos os sensores a um
mesmo reservatório cujo desnível foi
sendo alterado progressivamente e
registando o sinal de cada sensor com o
seu off-set devidamente anulado. A
comparação dos resultados de cada sensor
evidencia sinais estáveis e iguais para
todos os sensores.
Quanto ao fluído utilizado optou-se
por óleo de silicone Baysilone M100 [GE
Bayer Silicones (2002)], for forma a evitar
problemas de congelação e de evaporação
(muito prováveis no caso de utilização de
água) que comprometeriam a validade dos
registos ao longo do tempo. Além disso, a
fim de minimizar os efeitos de variação de
volume do fluído, e consequentemente do
nível registado pelo sensor em resultado de
variação de temperatura, as extremidades
livres dos tubos estão dotadas de um
reservatório de expansão realizado em
material acrílico (figura 5). Pela mesma
Importa referir que os sensores de
nível possuem auto-compensação de
temperatura mas exclusivamente no que se
refere ao próprio sensor. A correcção
acima descrita refere-se no entanto a todo
o sistema que engloba o sensor, o fluído, o
tubo, o reservatório e todos os acessórios
de ligação. Assim, foram também
5
instalados sensores de temperatura junto ao
tubo do fluído na vizinhança do
reservatório, cujos registos são essenciais
para que aquela correcção possa ser
efectuada. Salienta-se ainda que, a fim de
minimizar as variações de temperatura, o
tubo foi dotado de vários níveis de
protecção,
mecânica
e
térmica,
materializadas por tubos exteriores de ferro
fundido, de poliuretano expandido e de
PVC. Todo o conjunto fica envolvido por
tout-venant, sob o revestimento e o
pavimento da ponte, o que contribui para
atenuar as variações térmicas.
que
a
figura
8b
evidencia
o
posicionamento geral dos transdutores
num dos arcos.
Todos os sensores foram calibrados
através de uma montagem em laboratório
que permitiu aplicar deslocamentos
verticais controlados na extremidade livre
do tubo com fluído, mantendo fixa a
posição do sensor. Procurou-se adoptar a
mesma fonte de alimentação (12V) e um
tubo com comprimento próximo do que
em média se instalou na ponte, tendo-se
obtido rectas de calibração próximas de
d(mm)=35*V(Volt).
Fig 8a- Instrumentação de juntas. Configuração em Z dos
transdutores de deslocamento.
Complementarmente à rede de
sensores de nível, procurar-se-á captar o
campo de deslocamentos das faces jusante
e montante através do tratamento de
fotografias digitais de elevada resolução,
tiradas a partir de pontos fixos externos à
ponte sobre maciços especialmente
construídos para o efeito. Para o
tratamento fotográfico serão adoptadas
técnicas de correlação de imagens digitais
[Chousal
(2001)]
entre
estados
deformacionais distintos, técnicas estas já
aplicadas com sucesso em laboratório num
ensaio de um arco de alvenaria de pedra.
Fig 8b- Instrumentação de juntas. Posicões dos
transdutores de deslocamento num arco.
Na fase construtiva, nomeadamente
para monitorização das operações de
descimbre, foram usados transdutores
lineares de deslocamento clássicos do tipo
LVDT’s de pequeno curso (+/-10mm e +/12.5mm), tal como os ilustrados na figura
8a
No entanto, para a fase definitiva de
monitorização, e em alternativa aos
LVDT’s, foi adoptado outro tipo de
transdutor baseado em redes de Bragg em
fibra óptica, que se apresenta na figura 9,
já devidamente posicionado numa das
cavidades abertas na face jusante da ponte
para albergar esses sensores. Este tipo de
transdutor, projectado, produzido e
comercializado pela FiberSensing [L. A.
Ferreira (2004)], foi especificamente
concebido
para
esta
aplicação,
justificando-se a opção essencialmente
pela
conhecida
capacidade
de
4.2-Deslocamentos relativos das juntas
A fim de captar movimentos de
abertura/fecho e escorregamento entre
blocos de pedra em fase de serviço, uma
das juntas adjacentes às pedras de fecho de
cada arco foram instrumentadas com
transdutores de deslocamento numa
configuração em Z. Adicionalmente, foram
também instrumentadas juntas aos quartos
de vão, mas apenas no arco central e nos
dois arcos de um dos lados da ponte. Na
figura 8a ilustra-se a configuração de
transdutores em Z numa junta enquanto
6
muros: um sensor sobre um dos encontros
e outros três sensores sobre pilares. Na
figura 10 está também indicada a posição
esquemática de um destes sensores sobre
os pilares P4 e P5.
multiplexagem e pela imunidade ao ruído
associadas às medições com base na
tecnologia de sensores de fibra óptica.
Tal como os transdutores de
deslocamento adoptados, também estes
sensores, aqui designados de transdutores
longos, foram feitos com base em sensores
de Bragg em fibra óptica pela
FiberSensing [L. A. Ferreira (2004)].
Basicamente, o deslocamento é obtido
através da medição da deformação num fio
de invar amarrado a cada um dos murostímpano com uma dada tensão inicial.
Na figura 11 ilustra-se uma das
zonas de fixação de um destes sensores
junto ao muro-tímpano, onde se pode
observar o elemento de fixação à pedra, o
orgão de tensionamento, o fio de invar e a
extremidade do tubo de aço-inox estanque
de protecção de todo o conjunto.
Externamente fica tudo envolvido por
outro tubo de ferro fundido com diâmetro
bastante superior ao primeiro para o
proteger de assentamentos do enchimento.
Fig 9- Instrumentação de juntas. Transdutor de
deslocamento de fibra óptica.
No total foram instalados 44
transdutores de deslocamentos deste tipo,
distribuídos por juntas da face jusante e no
intradorso de alguns arcos. Estes últimos
destinam-se a medir eventuais movimentos
de expansão transversal dos arcos e de
abertura de juntas na direcção longitudinal
nas proximidades do eixo da ponte onde a
estrutura se apresenta mais flexível na
direcção vertical. A figura 10 ilustra
esquematicamente a posição de alguns
desses sensores colocados no intradorso de
um dos arcos.
Fig 11- Sensores longos transversais. Zona de amarração
no muro-tímpano.
Estes sensores longos medem a
extensão linear do fio de invar a que estão
colados, que, multiplicada pelo seu
comprimento, dá o afastamento relativo
dos muros-tímpano.
Fig 10- Posicionamento de transdutores de deslocamento
de fibra óptica em juntas do intradorso de um
dos arcos.
4.3-Deslocamentos
relativos
muros-tímpano opostos
entre
4.4-Deformações em blocos dos arcos
As extensões lineares em alguns
blocos dos arcos são obtidas através de
extensómetros colados em faces dos blocos
no intradorso e no extradorso de dois
arcos.
Com vista à monitorização dos
efeitos da pressão lateral do enchimento
sobre os muros-tímpano, foram também
instalados sensores de deslocamento
transversal entre zonas opostas daqueles
7
Conhecendo previamente o módulo
de deformabilidade e o coeficiente de
Poisson da pedra usada, e dado que neste
tipo de construções as tensões são muito
baixas e em regime linear elástico do
material, é possível obter as tensões
instaladas a partir das extensões registadas.
A medição de deformações no extradorso e
no intradorso dos arcos destina-se assim a
avaliar a distribuição de extensões e
tensões na espessura do mesmo.
Foram adoptados extensómetros de
resistência eléctrica da marca MMMeasurement Group, Inc., referência N2A06-20CBW, com resistência de 350Ω.
Cada extensómetro ficou ligado numa
montagem em ¼ de ponte e três fios
condutores segundo o Método Siemens.
A sua aplicação é semelhante à
aplicação noutros materiais, tais como o
betão, sendo no entanto necessária uma
regularização prévia com resina para
minimizar os efeitos da heterogeneidade
do material de base que neste caso é o
granito (ver figura 13a).
Foram então colocados pares de
extensómetros nas direcções longitudinal e
transversal da ponte, em blocos de pedra
de dois meios-arcos (A3 e A4) adjacentes
ao pilar P4 (ver figura 12a), em dois
alinhamentos longitudinais (um central
segundo o eixo da ponte – figura 12b - e
outro junto à face jusante – figura 12c) e
segundo três secções transversais dos arcos
(uma central passando pelo coroamento,
outra num meridiano a cerca de 45º e outra
ainda junto à nascença dos arcos A3 e A4)
No
intradorso
foram
abertas
cavidades superficiais como a evidenciada
na figura 13a a fim de albergar os
extensómetros e as respectivas protecções
mecânicas, eléctricas e à humidade, sobre
as quais foi colocada uma camada final de
argamassa à face da pedra. No extradorso,
os extensómetros e as protecções foram
colocadas na face da pedra, figura 13b,
recebendo depois uma camada de
argamassa antes da colocação das outras
pedras ou do tout-venant.
Fig 12a- Posicionamento de extensómetros. Planta
parcial.
Fig 13a- Colocação de extensómetros. Regularização de
base e extensómetro colado em cavidade
previamente aberta.
Fig 12b- Posicionamento de extensómetros. Alinhamento
central.
Fig 13b- Colocação de extensómetros. Protecção final.
Fig 12c- Posicionamento de extensómetros. Alinhamento
lateral jusante.
8
Foi escolhida a zona de enchimento
sobre o pilar P4, onde foram colocadas
duas células de pressão, uma directamente
sobre a face superior do pilar junto à
nascença dos arcos e outra mais próximo
da superfície. Na figura 15 ilustra-se o
posicionamento das referidas células,
designadas por C1 e C2. Na mesma figura
é possível observar ainda a posição de
outras cinco células (C3 a C7) do mesmo
tipo embora com geometria diferente e que
foram instaladas em rasgos abertos em
pedras dos arcos a fim de avaliar as
tensões neles introduzidas.
Na figura 13c apresenta-se uma vista
geral de quatro zonas do extradorso já
instrumentadas com extensómetros e em
fase de recobrimento com blocos de pedra.
Fig 13c- Colocação de extensómetros. Vista geral em
fase de recobrimento com pedra do tímpano.
Além dos extensómetros de base
eléctrica, surgiu também no decorrer da
instrumentação a possibilidade de instalar
alguns extensómentros de base óptica,
aproveitando a rede de fibras ópticas já
instalada para os outros sensores. Estes
sensores foram também produzidos e
instalados pela FiberSensing, e baseiam-se
essencialmente num sensor de Bragg em
fibra óptica embutido numa matriz de
material compósito. Na figura 14
apresenta-se dois desses extensómetros em
fase de instalação.
Fig 15- Posicionamento de células de pressão.
As células são da marca Geokon,
modelos 3500 e 3510 [Geokon (2002)]. A
principal diferença entre os dois modelos
escolhidos diz respeito ao material de
contacto que a célula está preparada para
ter. Porém, o princípio de funcionamento
destes equipamentos é o mesmo.
As células são constituídas por duas
placas de aço inox ligadas entre si pelo seu
perímetro através de soldadura. O interior
é preenchido por uma fina camada de óleo
cuja pressão varia consoante o aperto nas
paredes da célula provocado pelas pressões
externas.
Se
as
placas
forem
suficientemente flexíveis, ou seja, se
tiverem uma relação espessura/largura
pequena, o efeito da soldadura na periferia
passa a ser desprezável e, no centro da
célula, a pressão do fluído interno traduz
com suficiente aproximação a pressão do
meio envolvente. A pressão do óleo é
então transformada num sinal eléctrico
através de um transdutor de pressão
acopolado, que funciona em ponte
completa de Wheatstone com sinal
eléctrico de 100mV em fim de escala, para
uma tensão de alimentação de 10V.
Fig 14- Extensómetros de base óptica. Instalação.
4.5-Pressões no material de enchimento
e tensões nos arcos
A monitorização das pressões
verticais no material de enchimento é
conseguida com células de pressão total
por vezes usadas em obras geotécnicas.
9
Os efeitos da temperatura estão
acautelados pela existência na célula de
um
termistor
que,
registando
a
temperatura, permite fazer as correcções
necessárias.
As células C3 a C7 têm a forma de
meia-lua e são do tipo 3500 (figura 16c),
mas preparadas para uma gama de
pressões de 0 a 1000kPa. Embora feitas
com placas do mesmo tipo da C2 (para
solo em ambas as faces), por serem
menores são também mais rígidas e
portanto adequadas para ser envolvidas por
pedra e argamassa de preenchimento em
toda a sua superfície exterior.
As células C1 e C2 têm forma
circular, sendo a primeira do modelo 3510
e a segunda do modelo 3500, ambas para
uma gama de pressões entre 0 e 600kPa.
Diferem entre si pelo facto de a C1, figura
16a, ter uma das faces mais rígida
adequada a meios de contacto mais duros
como é a pedra, sendo a outra face
materializada por uma placa mais flexível
para estar em contacto com o material de
enchimento. A célula C2, figura 16b, por
seu turno, tem as duas faces flexíveis por
se destinar a ser toda envolvida por solo.
Fig 16c- Células de pressão total: C3, modelo 3500
(meia-lua) em fase de instalação.
4.6-Temperatura
O registo da temperatura em diversos
locais da ponte destina-se essencialmente a
permitir efectuar as correcções necessárias
nas leituras dos restantes sensores para
atender aos efeitos de variação térmica.
C1
C3
Exceptuando os termistores que vêm
incorporados de fábrica com as células de
pressão, os sensores de temperatura
adoptados são baseados em fibra óptica,
também fornecidos e instalados pela
FiberSensing.
Fig 16a- Células de pressão total: C1, modelo 3510
(circular) e C3, modelo 3500 (meia-lua), já
instaladas.
A opção por este tipo de sensores de
temperatura de base óptica surgiu de forma
natural pelo facto de ser possível integrálos sem dificuldade na rede de fibras
ópticas instalada para os transdutores de
deslocamento.
Estes
sensores
de
temperatura foram colocados em conjunto
com alguns transdutores e também, como
já referido, junto com tubos de fluído dos
sensores de nível. Na figura 17 pode-se
observar um destes sensores com um
daqueles tubos em fase de colocação.
C2
Fig 16b- Células de pressão total: C2, modelo 3500
(circular) em fase de instalação.
10
Fig 18- Aspecto da calha técnica
Fig 17- Sensor de temperatura de base óptica.
5 – TAREFAS ACESSÓRIAS
Tal como porventura já terá ficado
patente através dos parágrafos e imagens
anteriores, a instalação dos sensores
descritos exigiu a execução de um
conjunto apreciável de tarefas e de infraestruturas específicas que vale a pena
salientar e que importa prever desde o
início do planeamento da instrumentação.
Fig 19- Caixa de visita e de acesso à calha técnica
Para além de intervenções locais
para cada sensor, tais como execução de
furos, rasgos, cavidades, colocação de
tubagens de protecção aos cabos, etc, foi
necessário realizar:
i)
O armário técnico fica situado numa
das extremidades da ponte, ao lado do
encontro e imediatamente abaixo da cota
do pavimento conforme se pode observar
na figura 20.
uma calha técnica para reunir e
conduzir os cabos de todos os
sensores a um armário técnico;
ii) caixas de visita ao longo da calha
técnica em locais devidamente
escolhidos;
iii) um local fechado para albergar o
armário técnico.
A calha técnica foi realizada no local
em chapa de zinco, por forma a se
conseguir as exíguas dimensões exigidas.
Estende-se ao longo da face jusante da
ponte, junto à guarda lateral e revestida
totalmente por pedra de granito. Na figura
18 pode-se observar o aspecto da calha já
com alguns tubos ligados para condução
de cabos eléctricos e ópticos, e uma das
aberturas para as caixas de visita ilustradas
na figura 19.
Fig 20- Armário técnico
Nesse armário fica o quadro das
fichas de sinais de todos os cabos
11
National Instruments, equipado com um
controlador NI-8167, duas placas de
aquisição (NI-6070E e NI-6071E) e
diversos módulos de condicionamento de
sinais extensométricos (SCXI-1520) e de
transdutores de deslocamento LVDT
(SCXI-1540). Este equipamento permitiu a
leitura e registo de sinais das células de
pressão e dos extensómetros durante a
instalação, bem como dos LVDT’s durante
as operações de descimbre. Além disso, as
características multifunção das placas
permitiram a aquisição dos sinais dos
termistores já instalados e também os
primeiros registos de calibração em
laboratório dos sensores de nível. Na
figura 22 pode observar-se o referido
sistema de aquisição.
eléctricos e ópticos para ligação ao sistema
de aquisição, assim como o quadro
électrico de alimentação de todos os
equipamentos. O sistema de aquisição fica
também alojado no mesmo armário
fechado para monitorização em contínuo
durante períodos longos.
6 – SISTEMA DE AQUISIÇÃO
A aquisição e registo de sinais dos
sensores instalados é feita com recurso a
dois sistemas diferentes conforme os tipos
de sensores, tanto durante a sua instalação
como na fase de serviço.
Para os sensores de base óptica
(extensómetros, sensores de temperatura e
transdutores de deslocamento) a aquisição
é feita usando uma unidade de medição
produzida
pela
FiberSensing
com
capacidade para condicionamento e
aquisição de 16 ramos independentes de
fibra óptica, contendo cada um até 12
sensores multiplexados em série. A
instalação de todos os sensores ópticos foi
devidamente acompanhada com recurso a
uma destas unidades, que pode ser
observada na figura 21.
Fig 22- Sistema de aquisição NI-PXI para sensores de
base eléctrica durante a instalação.
Para
a
fase
definitiva
de
monitorização em serviço, a aquisição será
feita com sistema de aquisição FieldPoint
da National Instruments (figura 23).
Fig 21- Sistema de interrogação para sensores de fibras
ópticas.
Para os sensores eléctricos, tais como
extensómetros, sensores de nível, células
de pressão e termistores, as leituras e
registos foram e são feitas com sistemas de
aquisição da National Instruments.
Fig 23- Sistema de aquisição NI-FieldPoint para sensores
de base eléctrica em fase definitiva.
Na fase de instalação foi usado o
sistema de aquisição do Laboratório de
Engenharia Sísmica e Estrutural (LESE) da
FEUP, que tem conduzido e executado
todos os trabalhos de instrumentação da
ponte. Este equipamento consiste num
sistema baseado numa plataforma PXI da
Na versão Compact FielPoint
entretanto adquirida pelo LESE para a
monitorização desta e de outras obras, a
configuração do sistema consiste num
módulo principal cFP-2010 de processador
12
Tráfego Rodoviário – Tese de Mestrado em
Engenharia Civil – FEUP, 2002
e memória, três módulos de aquisição a 12
bits para sinais analógicos já amplificados,
para um total de 24 canais, e cinco
módulos de aquisição também a 16 bits
para 40 canais de pontes extensométricas.
Com este sistema serão feitas as leituras e
registo dos sinais do sensores de nível, dos
termistores e dos extensómetros eléctricos,
tendo sido já utilizado para fazer as
calibrações finais dos sensores de nível em
laboratório.
Costa, A., Arêde, A. e Costa, C., Ponte de Vila
Fria – Projecto – FEUP, 2002
L. A. Ferreira, F. M. Araújo, A. A. Maia, P. A.
Alves, J. L. Santos, Redes de Bragg em
Fibra Óptica - contribuições para o
desenvolvimento de uma tecnologia
revolucionária em monitorização estrutural,
Betão Estrutural 2004, 2004
Geokon, Inc., Earth Pressure Cells , 2002
Honeywell, 160PC Low pressure sensors,
164PC01D37
7 – CONSIDERAÇÕES FINAIS
GE Bayer Silicones, Baysilone M100, 2002
A possibilidade de acompanhar a
construção da nova ponte em alvenaria de
pedra sobre o rio Vizela, em Vila Fria, e
mais ainda de a instrumentar para a
monitorização do seu comportamento
estrutural ao longo do tempo, constitui
uma oportunidade excelente e quase única
de contribuir para a melhoria do
conhecimento deste tipo de obras.
Secil., Argamassa de Alvenaria Hidrofugada,
2002
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem a colaboração
empenhada da Drª Teresa Restivo e do
Prof. Joaquim Mendes, por todo o apoio na
definição e preparação dos sensores, à
Engª Daniela Glória por todo o imenso
trabalho de preparação e instalação da
instrumentação, ao Engº Luís Noites pelo
empenho na programação do sistema de
aquisição e ao Sr. Valdemar Luís por todo
o cuidado, esforço e dedicação na
execução das mais variadas e pesadas
tarefas subjacentes à instrumentação.
Nesse sentido, adoptou-se uma
estratégia integrada de instrumentação,
através da qual se pretende obter registos
da resposta da ponte, tanto a nível global
como local, recorrendo a sensores de nível
(materializados por sensores de pressão de
alta sensibilidade), transdutores de
deslocamento e temperatura baseados em
fibra óptica, extensómetros eléctricos e de
fibra óptica, células de pressão total e
termistores.
Expressam
também
o
seu
reconhecimento à empresa Augusto
Oliveira Ferreira, na pessoa do seu
responsável Engº Filipe Ferreira, ao Engº
Miguel Fernandes e ao Sr. Emídio
Domingues, toda a paciência e apoio que
dispensaram na obra durante a instalação
dos sensores e infra-estruturas necessárias.
A instalação dos sensores está quase
concluída, prevendo-se a realização de
ensaios de carga até ao final do corrente
ano. Até a presente data não existem ainda
registos sistemáticos dos sensores já
instalados razão pela qual apenas se
apresentou a estratégia e alguns detalhes
da instrumentação adoptada.
REFERÊNCIAS
Chousal, J., Medição de Deslocamentos no
Plano Através da Correlação Espacial de
Imagem, 4° Encontro Nacional de Análise
Experimental de Tensões e Mecânica
Experimental, IPB, 2001
Costa, C., Análise do Comportamento da
Ponte da Lagoncinha sob a Acção do
13